Reciclado de subproductos de origen animal: Composición y valor
nutritivo del pelo bovino hidrolizado hidrotérmicamenteRevista de
Ciencias Ambientales (Trop J Environ Sci) e-ISSN: 2215-3896
(Julio-Diciembre, 2020) . Vol 54(2): 92-110 DOI:
https://doi.org/10.15359/rca.54-2.5
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Sánchez-Olivares G. y Segoviano-Garfias J. J. N.
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Reciclado de subproductos de origen animal: Composición y valor
nutritivo del pelo bovino
hidrolizado hidrotérmicamente Recycling of Animal By-Products:
Composition and Nutritional Value of
Hydrothermally Hydrolyzed Bovine Hair
Luz Elena Mora-Maldonado1, María Maldonado-Santoyo2, Beatriz
Padilla-Rizo3, Anayansi Estrada-Monje4, Guadalupe
Sánchez-Olivares5, José J. N. Segoviano-Garfias6
[Recibido: 24 de septiembre 2019, Aceptado: 9 de abril 2020,
Corregido: 8 de mayo 2020, Publicado: 1 de julio 2020]
Resumen [Introducción]: El pelo bovino, subproducto del proceso de
trasformación de pieles, es rico en proteína queratina. Sin
embargo, es poco aprovechado y su disposición final, generalmente,
es el relleno sanitario. [Objetivo]: Este trabajo promueve su
reciclado, a través de su transformación a un producto alimenticio
para animales, aplicando un proceso de hidrólisis hidrotérmica.
[Metodología]: Para ello, el pelo fue recolectado en una tenería
local, lava- do, molido (<0.84 mm) e hidrolizado (130 °C/2.0
atm/90 min). Después, se caracterizó en su análisis elemental,
termogravimétrico, proximal y calidad microbiológica. La presencia
de metales pesados y minerales, fue determi- nado mediante
espectrometría de emisión atómica de plasma acoplado por inducción
y el perfil de aminoácidos mediante cromatografía de líquidos de
alta resolución. [Resultados]: Con el proceso propuesto, dicho
material quedó libre de olor desagradable y textura suave y
homogénea. Su estabilidad térmica fue menor a 170 °C. Presentó un
contenido elemental de nitrógeno (13.80±0.61 %), carbono
(46.23±1.18 %) y azufre (2.00±0.13 %). El análisis proximal reveló
las siguientes composiciones (%): proteína bruta (85.2±2.5),
digestible en pepsina (71.36±2.9), ce- niza (2.20±0.1), extracto
etéreo (4.90±0.4), extracto libre de nitrógeno (0.17±0.01) y
humedad (7.53±0.2). Algunos minerales fueron encontrados (calcio,
potasio, fósforo). Metales pesados y salmonella spp no fueron
detectados. Se obtuvieron aminoácidos esenciales para la nutrición
animal (lisina, metionina, treonina, arginina y valina), con
recuperaciones mayores al 90 %. [Conclusiones]: Con base en esta
información, el pelo bovino residual puede ser reciclado, a las
condiciones propuestas, para su transformación a un producto
alimenticio alternativo, que provee nutrientes para animales.
Palabras clave: Alimento para animales; aminoácidos; pelo de vaca;
queratina.
1 Estudiante de Doctorado, Centro de Innovación Aplicada en
Tecnologías Competitivas (CIATEC), Guanajuato, México;
[email protected] 2 Investigadora y académica, Centro de
Innovación Aplicada en Tecnologías Competitivas (CIATEC),
Guanajuato, México; msantoyo@
ciatec.mx, https://orcid.org/0000-0001-7205-0240 3 Asesora técnica
y académica, Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías
Competitivas (CIATEC), Guanajuato, México;
[email protected] 4
Investigadora y académica, Centro de Innovación Aplicada en
Tecnologías Competitivas (CIATEC), Guanajuato, México;
aestrada@ciatec.
mx, https://orcid.org/0000-0001-7161-9095. 5 Investigadora y
académica, Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías
Competitivas (CIATEC) en Guanajuato, México; gsanchez@
ciatec.mx, https://orcid.org/0000-0003-0633-8398 6 Investigador y
académico, Universidad de Guanajuato, Campus Irapuato-Salamanca en
Irapuato, Guanajuato, México;
[email protected],
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Abstract [Introduction]: Bovine hair, a by-product of the hide
transformation process, is rich in keratin protein. However, it is
little used, and its final disposal is, generally, the sanitary
landfill. [Objetive]: This work promotes its recycling, through its
transformation into a food product for animals, applying a
hydrothermal hydrolysis process. [Method- ology]: For this, the
hair was collected in a local tannery, washed, milled (<0.84
mm), and hydrolyzed (130 °C/2.0 atm/90 min). Later, it was
characterized in its elemental analysis, thermogravimetric
analysis, proximal analysis, and microbiological quality. The
presence of heavy metals and minerals was determined by
induction-coupled plasma atomic-emission spectrometry and, the
amino acid profile, by high-performance liquid chromatography.
[Results]: With the proposed process, this material was free of
unpleasant odor, and with smooth and homoge- neous texture. Its
thermal stability was less than 170 °C. It presented an elemental
content of nitrogen (13.80±0.61 %), carbon (46.23±1.18 %) and,
sulfur (2.00±0.13 %). The proximal analysis revealed the following
compositions (%): crude protein (85.2±2.5 %), digestible in pepsin
(71.36±2.9); ash (2.20±0.1), ether extract (4.90±0.4), nitro-
gen-free extract (0.17±0.01) and, humidity (7.53±0.2). Some
minerals were found (calcium, potassium, phospho- rus). Heavy
metals and Salmonella spp were not detected. Essential amino acids
for animal nutrition (lysine, me- thionine, threonine, arginine
and, valine) were obtained, with recoveries greater than 90 %.
[Conclusions]: Based on this information, residual bovine hair can
be recycled, for transformation to an alternative food product,
which provides nutrients, for animal feed.
Keywords: amino acids; animal feed; cow hair; keratin.
1. Introducción La industria curtidora se encarga de transformar la
piel de animales, ya sea bovinos, ovinos
y porcinos, en cuero terminado (Padilla-Rizo et al., 2018). El
proceso de curtido de la piel in- cluye, de forma general, las
etapas de: 1) ribera, donde se recibe la piel verde salada o en
sangre, se hidrata, se quita el pelo y la endodermis y se eliminan
impurezas presentes; 2) el curtido, se encarga de estabilizar el
colágeno de la piel, utilizando agentes curtientes vegetales
(taninos) o minerales (sales de cromo o aluminio); 3) el
postcurtido proporciona suavidad, elasticidad, llenura y cuerpo al
cuero y, 4) el acabado imparte las características específicas al
producto final como color, grabado o brillo (Instituto Nacional de
Ecología [INE], 1999). Durante estos procesos se genera una
cantidad considerable de residuos, los cuales están clasificados
como pe- ligrosos (Secretaría de Medio Ambiente y Recursos
Naturales [SEMARNAT, 2006; INE, 1999). En promedio, cada tonelada
de piel cruda produce entre 200 a 300 kg de cuero acabado y el
resto son residuos sólidos, ricos en proteínas como queratina,
colágeno y elástica (INE, 1999; Padilla-Rizo et al., 2018; Sundar,
Gnanamani, Muralidharan, Chandrababu & Mandal, 2011).
Lamentablemente, la mayoría de estos subproductos, entre los que se
encuentra el pelo residual, se aprovechan poco y, generalmente,
tienen como disposición final, el relleno sanitario. Esto causa
diversas afectaciones ambientales. Así mismo, genera un costo
económico a las empresas curtidoras, para su debida disposición
final. Derivado de ello, es necesario implementar accio- nes que
coadyuven a mejorar la gestión ambiental de dichos subproductos, ya
sea reduciendo la fuente que los origina, reutilizándolos en el
proceso mismo u otra actividad, o reciclándolos para generar nuevos
productos (Padilla-Rizo et al., 2018).
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2. Marco teórico Tanto el pelo (animal o humano), como otros
residuos industriales similares, como
las plumas de aves, cuernos, picos de aves, pezuñas y lana de
oveja, son ricos en queratina (Bautista-Díaz, 2016). Esta proteína
de tipo fibroso, está formada por aminoácidos unidos mediante
enlaces peptídicos, lo cual genera un alto grado de
entrecruzamiento por puen- tes disulfuro y le confiere gran
estabilidad térmica, alta resistencia y baja solubilidad en la
mayoría de los solventes (Brebu y Spiridon, 2011; Galarza, Garro,
Cavello, Hours & Can- tera, 2007; Horvath, 2009). Estas
propiedades hacen atrayentes a las materias primas ricas en
queratina, para diversas aplicaciones industriales. Algunos
estudios realizados destacan su aplicación en el campo de
elaboración de materiales compuestos (Chojnacka, Górecka, Michalak
& Górecki, 2011; Song, Lee, Al-Mijan & Song, 2014;
Sánchez-Olivares et al., 2017); cosmética (Bayramoglu,
Yorgancioglu, Yeldiyar & Onem, 2014; Sundar et al., 2011);
medicina (Zhang et al., 2015); fertilizantes y composta (Barrena,
Pagans, Artola, Vázquez & Sánchez, 2007; Chojnacka et al.,
2011, Sundar et al., 2011); producción de enzimas in- dustriales
(Galarza et al., 2007; Vázquez, Aguilera, Prado-Barragán &
Aguilar, 2008) y, en años más recientes, en alimentos para animales
(Chojnacka et al., 2011; Coward-Kelly, Agbogbo y Holtzapple, 2005;
Sundar et al., 2011). Su inclusión, en este último sector, se ha
ido dando paulatinamente, como resultado de la búsqueda de nuevas
fuentes proteicas y de menor costo, que coadyuven a solventar los
requerimientos nutritivos necesarios para la alimentación,
principalmente, de los animales de crianza, las fuentes más
demandadas por la población (González, Romero, Valdivié &
Ponce, 2014).
Según lo reportado por Brebu y Spiridon (2011) y Horvath (2009), el
pelo animal puede contener entre 65-95 % de proteína. Esto lo hace
comparable a otras fuentes proteicas comer- ciales de origen
animal, como la harina de plumas de ave, harina de pescado o harina
de sangre, que pueden contener entre 60-90 % de proteína (Caires et
al., 2009; Fundación Española para el Desarrollo de la Nutrición
Animal [FEDNA], 2018; Wiltafsky et al., 2016). Además, su alto
valor proteico es superior al valor de algunas proteínas vegetales
como la harina de soya, la ha- rina de canola o la harina de
girasol (31-44 %) y otros insumos vegetales como el maíz, trigo,
arroz, mijo o avena (5-18 %) (Rostagno et al., 2017; Wiltafsky et
al., 2016), los cuales son algunos de los insumos más utilizados
dentro de la alimentación animal. Esto permite entrever el pelo
bovino como una posible fuente de nutrientes
(proteína/aminoácidos), que puede recuperarse, transformarse y ser
utilizada para alimentación animal.
En este contexto, la mayoría de los estudios realizados para
obtención de concentrados pro- teicos son a partir de plumas de
aves (Bautista-Díaz, 2016; Chojnacka et al., 2011; Karthikeyan,
Balaji & Shegal, 2007). En ellos, reportan procesos que
consisten en: lavado de las plumas, hi- drolizar parcialmente las
plumas con una solución alcalina (NaOH; KOH; 70-80°C; 0.1-0.3 M,
ajuste a pH 9) o térmicamente con agua/vapor, 100-150 °C, 1.5-4.0
atm, 60-90 min; después se pulverizan mecánicamente y se procede a
una proteólisis enzimática a 40-60°C/ pH 7.5-9/4- 12 h y,
opcionalmente, se puede adicionar peróxido de hidrógeno para
eliminar los sulfuros,
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decolorar con carbón activado, concentrar, fraccionar o secar,
dependiendo del tipo de plumas de ave utilizadas (Bautista-Díaz,
2016).
Respecto al pelo animal, en España, Esteban, García, Ramos y
Márquez (2010), hidroliza- ron pelo porcino con agua vía
subcrítica. Mientras que, en Estados Unidos, Coward-Kelly et al.,
(2005), hidrolizaron pelo de vaca con Ca (OH)2 a 100 °C. Ambos,
para obtención de aminoáci- dos en medio acuoso.
Bayramoglu et al., (2014), en Turquía, obtuvieron una emulsión rica
en queratina y calén- dula, a partir de pelo de cabras domésticas.
Para ello, el pelo fue lavado con NaOH 0.5 M e hi- drolizado con
H2O2; después fue filtrado y la queratina fue precipitada con HCl
0.5 M, secada a 45°C por 2 días y pulverizada.
Derivado de la poca información reportada en la bibliografía sobre
la valorización de este residuo como potencial insumo rico en
nutrientes para alimentación animal, este trabajo inves- tigó la
composición química, nutrimental y toxicológica del pelo bovino
residual en su forma cruda e hidrolizado hidrotérmicamente, como
propuesta para su reciclado.
3. Metodología
3.1 Reactivos Todos los reactivos utilizados fueron grado
analítico. Agua desionizada 18.2 M-cm (Elix).
Hexano (cas:110-54-3), acetona (cas:67-64-1), hidróxido de sodio
(cas:1310-73-2), éter de petró- leo (cas:8032-32-4) y peróxido de
hidrógeno (7722-84-1), de Karal. Pepsina de mucosa gástrica bovina
(cas:9001-75-6), albúmina sérica bovina (cas:9048-46-8), agar
triptona extracto de leva- dura (17221), ácido nítrico
(cas:7697-37-2), ácido clorhídrico (cas:7647-01-0), ácido sulfúrico
(7664-93-9), fosfato de sodio dibásico (cas:7558-79-4), pentaóxido
de vanadio (cas:1314-62-1), metanol (cas: 67-56-1), etanol
(64-17-5), trietilamina (cas:121-44-8) y acetonitrilo (75-05-8), de
Sigma-Aldrich. Caldo lactosado (B02-155-06, Britania). Caldo
tetrationato (BX-211683) y agar hierro triple azúcar (BX-211400),
de Bioxon. Caldo urea (51463), tierra diatomácea (91053-39- 3),
caldo selenito cistina (107709), agar xilosa lisina desoxicolato
(105287), agar verde brillante (70134) y agar sulfito de bismuto
(95388), de Merck. Antisuero polivalente somático (Microkit). Kit
de L-aminoácidos, estándar certificado, con mezcla de 17
aminoácidos en HCl 0.1 mol/L (79248, Supelco). Helio y argón
ultrapuros (Praxair).
3.2 Preparación de la muestra El pelo bovino residual fue
recolectado en una curtiduría en León, Guanajuato, México;
donde curten pieles bovinas, mediante el curtido al cromo.
Posteriormente, fue lavado con agua de grifo (60 °C, 3 min), secado
(40 °C), molido (con licuadora marca KitchenAid,1.5 HP) y ta-
mizado a un tamaño de partícula menor 0.84 mm.
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3.3 Hidrólisis hidrotérmica El tratamiento hidrotérmico aplicado se
hizo con base en lo reportado por Fernández
(2014), con ligeras modificaciones y consistió en pesar 50 g de
muestra de pelo bovino residual en frascos de 250 ml, agregar 50 ml
de agua destilada, cerrar los frascos y colocar en una au- toclave
marca LabTech Modelo LAC-5060 SD a 130 °C y 2.0 atm durante 90 min.
Después fue prensado de forma manual y secado a 40 °C, durante dos
días. Posteriormente, el pelo bovino crudo e hidrolizado fue
caracterizado en diferentes parámetros: físicoquímicos,
nutrimentales y toxicológicos. A la par, una muestra de pelo bovino
natural (sin tratamiento de hidrólisis) fue analizada para su
comparación.
3.4 Caracterización física Con la finalidad de observar los cambios
ocurridos en la estructura de la fibra (cutícula)
del pelo bovino residual recolectado y evaluar su diámetro, una
muestra de pelo bovino natural y otra de pelo bovino residual
(previamente lavados) fueron cortadas en trozos pequeños de 2 mm de
longitud. Después, se colocaron en un microscopio triocular modelo
LX400, con óptica corregida al infinito y plana de la imagen, con
el objetivo plano cromático 40x/0.65 retráctil y cámara modelo iVu
1500 Digital Camera Module.
3.5 Análisis termogravimétrico La estabilidad térmica fue
determinada mediante análisis termogravimétrico (TGA), mi-
diendo la cantidad y rapidez del cambio en peso en el pelo
analizado, en función de la tempe- ratura, en una atmósfera
controlada de gas inerte. Esto permitió obtener información acerca
de los efectos de la temperatura sobre algunas propiedades físicas
del pelo bovino. El análisis se realizó en un equipo TGA Q500 V6.3
Build 189. Para ello, se pesaron 15.707 mg de pelo bovi- no crudo,
los cuales fueron colocados en la charola del horno del equipo y se
analizaron a una velocidad de calentamiento de 5 °C/min en un
intervalo de temperatura de 30 a 700 °C, en una atmósfera inerte de
nitrógeno.
3.6 Análisis de contenido elemental La composición elemental fue
determinada utilizando un analizador elemental, modelo
Flash 2000 de Thermo Scientific. Para ello se pesaron 5 mg de
pentaóxido de vanadio y 1 mg de muestra de pelo en cápsulas de
estaño de 30 mm, entonces fueron cerradas y colocadas en el horno
del equipo para su análisis. Las condiciones instrumentales de
operación del equipo fue- ron las siguientes: temperatura del
reactor de 950 °C y en el horno de 65 °C; tiempo de inyección de
oxígeno de 5 s; presión de 250 kPa para el helio y 300 kPa para el
oxígeno. El flujo de helio como gas de acarreo fue de 140 ml/min y
el de oxígeno como gas de combustión de 250 ml/ min, con un tiempo
de corrida de 720 s. Para asegurar la calidad de los resultados,
los análisis se hicieron por triplicado y como estándar de
verificación se utilizó el aminoácido de metionina.
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3.7 Análisis proximal El análisis proximal fue realizado en los
parámetros de interés, de acuerdo con la FAO
(2011): la humedad fue determinada calentando a 103±2 °C durante 4
h; la materia seca se ob- tuvo por diferencia con el peso total de
la muestra; el contenido de ceniza fue evaluado por calci- nación
en mufla a 550±20 °C por 3 h; la proteína bruta se obtuvo mediante
la determinación de nitrógeno por el método Kjeldahl y multiplicado
por el factor proteico de 6.25; el extracto etéreo fue evaluado
mediante extracción soxhlet durante 4 h, para lo cual se utilizó
éter de petróleo. Todos los análisis se realizaron por triplicado.
La energía metabolizable fue calculada mediante el sistema
Atwater.
3.8 Determinación de metales pesados y minerales La determinación
de metales pesados como plomo, cadmio, mercurio, arsénico y cromo,
y
algunos minerales como calcio, potasio, fósforo, cobre, hierro,
magnesio, manganeso, selenio y zinc se realizó de la siguiente
manera: se pesaron 300 mg de las muestras de pelo en viales de
vidrio de 15 ml, se añadieron 3 ml de ácido nítrico concentrado y
500 ml de peróxido de hidró- geno y se dejaron en digestión a 105
°C por 4 horas. Después se filtraron en papel Whatman No. 41 y se
ajustaron a 25 ml con agua desionizada. Una alícuota fue diluida
adecuadamente y analizada utilizando un espectrómetro de emisión
atómica acoplado inductivamente a plasma (ICP-AES) marca Thermo
Scientific, Mod. iCAP 6500 a las longitudes de onda adecuada para
cada elemento. Para asegurar la calidad de los resultados, en este
análisis, se utilizó la solución multielemental QCS-19 ICP 19
Element Quality Standard que contiene Sb, As, Be, Cd, Ca, Cr, Co,
Fe, Pb, Mg, Mn, Mo, Ni, Se, Ti, V y Zn en una concentración de 100
µg/ml a la dilución adecuada (EPA, 2007). Todos los análisis se
realizaron por triplicado.
3.9 Análisis microbiológico El análisis microbiológico se realizó
de acuerdo con lo reportado por la FDA (2001) como
una forma de evaluar la calidad microbiológica en el pelo bovino
tanto en su forma cruda, como después de ser hidrolizado. Se evalúo
el crecimiento de microorganismos mesófilos aerobios, mediante
cuenta en placa, en agar triptona extracto de levadura, como medio
de cultivo. Para ello, se pesaron 10 g de pelo (crudo e
hidrolizado) en un recipiente estéril y se adicionaron 90 ml de
agua desionizada. Seis diluciones decimales fueron realizadas a la
muestra e inoculadas en cajas petri estériles. Después, se
agregaron 15 ml del medio de cultivo preparado, se mez- claron
adecuadamente hasta lograr una completa incorporación del inóculo
en el medio y se dejaron solidificar. De forma seguida, las cajas
petri se incubaron en posición invertida a 35±2 °C por 48±2 h
utilizando una Incubadora New Brunswick Scientific, Classic Series.
Finalmente, se procedió a la cuenta de colonias, en placas que
contenían entre 25 a 250 UFC (unidades for- madoras de colonias).
Se reportó el número de colonias encontradas por dilución. Los
análisis se realizaron por duplicado.
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La detección de Salmonella spp se realizó de la siguiente manera:
i) Preenriquecimiento, para ello, se mezclaron 25 g de muestra con
225 ml de caldo lactosado, se ajustó pH a 6.8, se agitó y se incubó
por 24 ± 2 h a 35 °C. ii) Enriquecimiento selectivo: se tomó 1 ml
de la mezcla anterior y se agregó a un tubo con 10 ml de caldo
tetrationato; después, otro 1 ml de la mezcla se agregó a un tubo
con 10 ml de caldo selenito cistina y se incubó por 24 h a 35 °C.
iii) Selec- ción en medios sólidos, se agitó el tubo con caldo
selenito cistina y se estrió en agar xilosa lisina desoxicolato,
agar verde brillante y una tercera caja con agar sulfito de
bismuto. Se realizó el mis- mo procedimiento para el tubo con caldo
tetrationato y se incubó a 35 °C por 24 ± 2 h. Después se procedió
a la identificación de los cultivos de salmonella spp aplicando la
serotipicación para eliminación de los cultivos falsos (FDA,
2001).
3.10 Digestibilidad en pepsina La disponibilidad de nutrientes en
el pelo bovino fue estimada evaluando su digestibilidad
proteica in vitro en pepsina, de acuerdo con la FAO (2011), con
modificaciones. Para ello, se pesó 1 g de cada muestra de pelo
bovino, previamente desengrasada con acetona, en un frasco, al cual
se le agregaron 150 ml de disolución de pepsina al 0.02 % en HCl
0.075 mol/l. El frasco fue colocado en una incubadora con agitación
a 25 rpm y 45 °C por 16 h. Después, se filtró uti- lizando filtros
de fibra de vidrio 934-AH y la parte no digerida, fue evaluada en
el contenido de nitrógeno mediante el método Kjeldhal. Los análisis
se realizaron por triplicado.
3.11 Evaluación del contenido de aminoácidos El perfil de
aminoácidos fue determinado mediante el procedimiento reportado por
Bidling-
meyer, Cohen y Tarvin (1984) con modificaciones, el cual se basa en
la formación de derivados feniltiocarbamil de los aminoácidos. Para
ello, se pesó 1.0 g de pelo en viales de digestión de 15 ml, a los
cuales se les añadió 3 ml de HCl 6 mol/l y se hidrolizaron a 150 °C
por 1 hora en un digestor marca Hanna Instruments. Después, un
volumen del hidrolizado (equivalente a 0.5 µg) fue secado al vacío
utilizando un equipo marca Labcondo. Los estándares fueron
preparados adecuadamente en agua o en HCl 0.1 mol/l a una
concentración de 1.0 mg/ml. A continuación, a todas las muestras se
les agregó un volumen de la solución etanol-agua-trietilamina
(2:2:1), nuevamente se secaron al vacío y se derivatizaron con la
solución etanol-trietilamina-agua-fe- niltiocarbamil (7:1:1:1)
antes del análisis cromatográfico. La separación/detección se
realizó en un cromatógrafo de líquidos de alta resolución marca
Agilent Technologies modelo 1100 utilizando una columna Pico Tag
Water (15 cm x 3.9 mm) con detección por UV a 254 nm y utilizando
como fase móvil acetonitrilo:agua (60:40) a un flujo de 1.0 ml/min.
Para asegurar la calidad de los resultados, se utilizó el estándar
certificado de Sigma-Aldrich conteniendo 17 L-aminoácidos a una
concentración de 2.5 mmol/l (excepto la cisteína a 1.25 mmol/l) en
HCl 0.1 mol/l. Los análisis se realizaron por triplicado.
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4. Resultados y discusión La Figura 1 muestra las imágenes
obtenidas en el microscopio para el pelo bovino natural
crudo (PBNC) y el pelo bovino residual crudo (PBRC), recolectado en
la tenería. Se puede ob- servar un ligero daño ocasionado en la
fibra (cutícula) de PBRC, tanto en la textura como en el color, con
respecto a PBNC. Este daño es ocasionado cuando el pelo es retirado
de la piel, en la etapa de ribera; ya que es práctica común
utilizar químicos agresivos como sulfuro y sulfhidrato de sodio,
cal y enzimas para retirar el pelo (INE, 1999).
Por otra parte, el diámetro estimado fue de 70-100 µm; estos
valores son similares a lo re- portado para cabello humano de 54-96
µm (Horvath, 2009; Popescu y Höcker, 2007) y de 16-80 µm para pelo
de res (Sánchez-Olivares et al., 2017).
Figura 1. Imágenes obtenidas en el microscopio: (a) PBNC y (b) PBRC
Figure 1. Images obtained under the microscope: (a) PBNC and (b)
PBRC
Inicialmente, el PBRC recolectado en la tenería presentó grumos de
pelo, grasa, sangre, agua residual (con pH 9-13), polvo y olor
desagradable (Figura 2a). Con el acondicionamiento aplicado en la
preparación de muestra, en la Figura 2b y 2c se pueden observar
algunos de los cambios ocurridos. PBRC mejoró notablemente, algunas
propiedades organolépticas como el olor y color; su textura fue más
homogénea (tamaño de partícula <0.84 mm) y suave al tacto:
renovó, de esta manera, su presentación física.
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Figura 2. Imágenes del pelo (a) recolectado en la tenería, (b)
lavado y (c) molido. Figure 2. Images of the hair (a) collected in
the tannery, (b) washed, and (c) milled.
La estabilidad térmica del pelo bovino se puede observar en la
Figura 3. Se aprecian tres pérdidas de masa: El primer cambio se
presenta a una temperatura máxima (Tmáx) de 66.66 °C con una
rapidez de pérdida de masa de 0.122 %/°C correspondiente al proceso
de deshidrata- ción (perdida de agua) y representa un valor de
8.086 % (1.270 mg). El segundo cambio se pre- senta a una Tmáx de
285.40 °C con una rapidez de pérdida de masa 0.487 %/°C, lo cual
representa el proceso de descomposición del componente principal
del pelo, es decir, la queratina, con un 52.44 % (8.236 mg) de
pérdida de masa. El tercer cambio se observó a una Tmáx de 636.23
°C con una rapidez de pérdida de masa de 0.096 %/°C, con un 6.235 %
(0.9794 mg), lo cual puede significar la oxidación de algunos de
los componentes. Como residuo en este análisis, se consi- deró la
materia inorgánica insoluble, con una cantidad de 4.318 mg que
representa el 27.49 % de la masa inicial en el pelo bovino (15.7070
mg). La parte proporcional de 5.748 % (0.903 mg) corresponde a
compuestos volatilizados durante el proceso de análisis y la cual
fue calculada por diferencia de masa. Es observable que la
queratina del pelo bovino presenta alta estabilidad tér- mica, pues
empieza a degradarse a temperaturas mayores a los 170 °C.
Comportamiento similar fue obtenido por Brebu y Spiridon (2011),
quienes reportan temperaturas iniciales de descom- posición para la
queratina de 150 °C en pelo humano, 155 °C en plumas de aves y de
180 °C en lana. Sánchez-Olivares et al., (2017) reportan una
temperatura cercana a 185 °C para pelo de res. Estas ligeras
variaciones pueden deberse a las diferentes condiciones de análisis
empleadas y al material analizado.
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Figura 3. Termograma de TGA obtenido para el pelo bovino. Figure 3.
TGA thermogram obtained for bovine hair.
En el Cuadro 1, se presentan los valores promedio obtenidos en la
composición elemental para PBNC, PBRC y PBRH. Se puede observar
poca variación en los parámetros evaluados en- tre PBRC y PBNC, lo
cual da información sobre el daño sufrido por PBRC, cuando es
retirado de la piel antes de que sea curtida y concuerda con lo
mostrado en la Figura 1. La variación más notable se aprecia en el
contenido de azufre, pues PBNC presenta un contenido de 3.79±0.12
%, con respecto a PBRC de 2.25±0.09 %. Este decremento se debe al
rompimiento de algunos enlaces disulfuro, en la molécula de la
queratina del pelo. Valores similares en el contenido de nitrógeno
(11-15 %) han sido reportados para pelo bovino crudo (Brebu y
Spiridion, 2011; Ga- larza et al., 2007; Sánchez-Olivares et al.,
2017) y de 15.07 % en pelo porcino crudo (Esteban et al., 2010).
Para cabello humano, valores entre 14-16 % de nitrógeno, 49-50 % de
carbono, 5-7 % de hidrógeno, 3-5 % de azufre y 22-30 % de oxígeno
(Brebu y Spiridion, 2011; Horvath, 2009; Popescu y Höcker, 2007)
han sido reportados. Mientras que para otras fuentes de queratina,
como las plumas de pollo crudas, Tesfaye, Sithole, Ramjugernath y
Chunilall (2017) obtuvie- ron un contenido de nitrógeno, carbono,
oxígeno y azufre de 10.41, 64.47, 22.34 y 2.64 %, res-
pectivamente. Es importante recordar que tanto el pelo en humanos
como en animales no es
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homogéneo y puede variar dependiendo de la fuente (Popescu &
Hocker, 2007), es decir, de la raza, edad, crianza, lugar o
alimentación, entre otros factores, lo cual puede afectar la
composi- ción de sus componentes.
Por otro parte, PBRH con el proceso hidrotérmico aplicado provoca
un mayor rompimien- to de diversos enlaces moleculares (azufre,
hidrógeno o salinos). Esto genera una ligera dismi- nución (2-11.1
%) en su contenido elemental, con respecto a lo obtenido en PBRC.
Sin embar- go, visto de otra manera, destruir algunos de los
enlaces que brindan resistencia y estabilidad térmica a la
queratina del pelo puede contribuir a mejorar la disponibilidad de
sus nutrientes.
Cuadro 1. Elemental composition for the bovine hair (in natural
matter) Cuadro 1. Composición elemental para el pelo bovino (en
materia natural)
Parámetro Unidad PBNC PBRC PBRH Nitrógeno % 14.30 ± 0.31 14.12 ±
0.11 13.80 ± 0.61 Carbono % 45.02 ± 0.33 47.35 ± 0.61 46.23 ± 1.18
Hidrógeno % 6.43 ± 0.12 6.81 ± 0.52 6.28 ± 0.22 Azufre % 3.79 ±
0.12 2.25 ± 0.09 2.00 ± 0.13 Otros* (oxígeno + materia inorgánica)
% 30.46 ± 0.93 29.39 ± 0.93 31.6 ± 1.08
*Estimado por diferencia.
El Cuadro 2 muestra los resultados obtenidos en la evaluación del
análisis proximal, para PBNC, PBRC y PBRH, comparados con la harina
de plumas de aves hidrolizada (HPAH). Se observa que los valores
son muy similares entre sí, con muy ligeras variaciones. También se
pue- de apreciar, que el componente mayoritario es el contenido de
proteína bruta, la cual representa 87.5±1.2 % para PBNC y 87.3±2.5
% para PBRC. Estos valores son muy cercanos a lo reportado por
Vázquez et al. (2008), de 87.8 % para pelo de cerdo crudo y Tesfaye
et al., (2017) de 82.36 % en plumas de pollo crudas. En su forma
hidrolizada, con el proceso propuesto, se obtuvo para PBRH un
85.2±2.5 % de proteína bruta. Este valor es comparable con otros
insumos proteicos de queratina hidrolizados, como lo es la harina
de plumas de ave, para la cual reportan valores de proteína bruta
variables (74-85 %) (Caires et al., 2010; FEDNA, 2012; Rostagno et
al., 2017; Wiltafsky et al., 2016).
Es importante evaluar este parámetro, pues conocer el contenido
proteico de un insumo alimenticio provee información sobre la
calidad del aporte nutrimental. Esto coadyuva a definir, si es un
producto de alta o baja calidad, y de ello dependerá el posible
valor agregado que puede adjudicársele, en comparación con otros
productos proteicos. Actualmente, algunos insumos proteicos
hidrolizados como las harinas de pescado, harinas de plumas de
aves, harinas de carne y hueso o harina de soya presentan un
contenido de proteína bruta de entre 45-85 % (FEDNA, 2012; Rostagno
et al., 2017; Wiltafsky et al., 2016). Y es común encontrarlas, en
el mercado comercial, con precios entre $150-600 USD por tonelada.
El precio suele variar, pues depende de diversos factores como el
tipo de harina, su presentación y contenido de proteína.
Considerando
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esto, el PBRH obtenido en este trabajo podría competir con estos
insumos proteicos y obtener un valor comercial similar, lo cual
favorecía su reciclado y valorización.
Por otro lado, el contenido de humedad en el pelo bovino (crudo e
hidrolizado) fue menor al 10 %. Esto representa una ventaja, pues
este parámetro es un indicador para prolongar su vida de anaquel;
ya que tiene implicaciones importantes para su procesamiento,
almacenamiento y transportación, lo que evita su concerniente
deterioro. Además, un contenido alto de humedad puede provocar
interferencias en la calidad del producto final, incrementar su
peso (y costo) o deteriorar el producto en menor tiempo, debido a
la generación de microorganismos (Tesfaye et al., 2017). Valores
similares fueron reportados por Vázquez et al., (2008) para pelo
porcino de 3.2 %. Mientras que, Tesfaye et al., (2017) reportaron
un 12.33 % para plumas de pollo cruda y en harina de plumas
hidrolizadas, Rostagno et al., (2017) y FEDNA (2012) reportaron
8.20 y 6.8 %, respectivamente.
El contenido de extracto etéreo se refiere al contenido de grasa
total presente en un teji- do, que puede incluir los triglicéridos
y otros lípidos como los ésteres, aldehídos, pigmentos, terpenos o
esteroides (Tesfaye et al., 2017). El valor determinado en este
parámetro fue muy similar entre las muestras de pelo bovino y HPAH,
se observó en el intervalo de 4.3 a 5.2 %. Sin embargo, difieren
con lo reportado por Vázquez et al. (2008) y Esteban et al. (2010)
de 7.3 % y 0.85 % respectivamente, para pelo porcino. Tal
diferencia puede deberse a la procedencia del pelo analizado y, así
mismo, a la forma en que fue preparada la muestra.
El extracto libre de nitrógeno (ELN) se refiere al contenido de
almidón y azúcares presentes en un alimento. Se pueden observar
cantidades despreciables (0.17-0.29 %) en el pelo bovino. Esto es
normal, pues al ser de origen animal, no contiene celulosa,
hemicelulosa y lignina. Va- lores ligeramente mayores (1.02-1.34 %)
fueron reportados para las plumas de aves (FEDNA, 2012; Rostagno et
al., 2017; Tesfaye et al., 2017; Wiltafsky et al., 2016).
El contenido de ceniza en un alimento es el residuo inorgánico
remanente después de ser incinerado. Aquí, podemos encontrar
impurezas, sales y minerales presentes en el alimento. En este
contexto, el valor obtenido para PBNC, PBRC y PBRH se encontró en
el intervalo 2.09-2.20 %. Mientras que, para pelo porcino crudo,
valores de 0.73-1.14 % (Esteban et al., 2010; Vázquez et al., 2008)
y para harina de plumas de aves (cruda e hidrolizada), se reportan
valores com- prendidos entre 1.49-2.66 % (FEDNA, 2012; Rostagno et
al., 2017; Tesfaye et al., 2017). Esto es bueno, pues según la
FEDNA (2012), valores mayores a 3.4 %, serían indicativo de
presencia de arena o adulterantes inorgánicos.
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Cuadro 2. Chemical composition of bovine hair (% in natural matter)
Cuadro 2. Composición química del pelo bovino (% en materia
natural)
Parámetro evaluado Unidad PBNC PBRC PBRH HPAHa
Análisis proximal Materia seca (MS) % 94.25±1.2 93.75±1.4 92.47±2.5
91.8 Humedad (H) % 5.75±0.1 6.25±0.2 7.53±0.2 8.20 Proteína bruta
(PB) % 87.5±1.2 86.7±3.1 85.2±2.5 83.1 Extracto etéreo (EE) %
4.37±0.2 4.75±0.1 4.90±0.4 4.70 Ceniza % 2.09±0.1 2.14±0.1 2.20±0.1
2.66 Extracto libre de nitrógeno (ELN)* % 0.29±0.01 0.16±0.02
0.17±0.01 1.34 Materia orgánica (MO)* % 92.2±2.80 91.6±2.5 90.3±5.2
89.1 Energía metabolizable (EM)* kcal/kg 3 905±176 3902±182 3
856±193 3801 Contenido de minerales Calcio total % 0.43±0.020
0.45±0.020 0.46±0.002 0.33 Potasio % 0.23±0.003 0.23±0.025
0.21±0.009 0.27 Fósforo total % 0.27±0.032 0.33±0.029 0.32±0.036
0.47 Magnesio % 0.05±0.002 0.07±0.018 0.06±0.003 - Manganeso mg/kg
< 0.02 < 0.02 < 0.02 - Hierro mg/kg 174±0.35 185±0.39
184±33 - Cobre mg/kg 10.7±0.86 13.0±0.95 12.7±1.03 - Zinc mg/kg
19.6±0.92 18.6±0.52 18.3±0.87 - Selenio mg/kg < 0.10 < 0.10
< 0.10 - Cromo mg/kg No detectado No detectado No detectado -
Metales pesados Mercurio, arsénico y cadmio % No detectados No
detectados No detectados - Plomo % < 0.000 1 < 0.000 1 <
0.000 1 - Calidad microbiológica Microorganismos mesófilos
aerobios
UFC/g 880 000±57 200 550 000±48 000 160±8 -
Digestibilidad en pepsina % 49.36±1.2 51.55±2.1 71.36±2.9 - a
Obtenidos de Rostagno et al. (2017). *Valores estimados:
ELN=100-(H+PC+EE+Ceniza); MO=MS-Ceniza; EM=(PB x 4)+(EE x 9)+(ELN x
4).
No se detectaron metales pesados, salvo el plomo en concentraciones
menores 0.0001 %. Fue determinada la presencia de macro minerales
como calcio, potasio, fósforo y magnesio (0.05 a 0.46 %) y micro
minerales como hierro, cobre y zinc (< 200 mg/kg) (Cuadro 2). En
este contexto, existe poca información reportada en la bibliografía
sobre el contenido, tanto de minerales como de metales pesados para
el pelo bovino, pues la mayoría de los trabajos hacen referencia al
pelo humano, y reportan concentraciones traza para elementos como
Ba, Ca, Cr,
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Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Ti y Zn (Horvath, 2009). Galarza et al. (2007)
reportó 2-3 % de calcio y 1-2 % de sodio en pelo bovino. Para HPAH,
Rostagno et al. (2017) reportaron 0.33, 0.27 y 0.47 %; FEDNA
(2012), valores de 0.23, 0.20 y 0.60 % y Wiltafsky et al. (2016) de
0.40, 0.16, 0.29 %, para calcio, potasio y fósforo,
respectivamente.
La calidad microbiológica evaluada en PBNC, PBRC y PBRH (Cuadro 2)
muestra ausencia de salmonella spp. Así mismo, se aprecia una
disminución significativa en el crecimiento de microorganismos. De
550 000±48 000 UFC observados inicialmente en PBRC, se redujo a
sólo 160±8 UFC en PBRH. Esto es indicativo de que el proceso de
hidrólisis hidrotérmico aplicado al pelo bovino coadyuva a
esterilizarlo y mejorar su calidad microbiológica como producto
final.
Por otro lado, al hidrolizar pelo bovino, la digestibilidad de la
proteína mejora. En el Cuadro 2, se observa que PBNC presentó una
digestibilidad in vitro (en pepsina-HCl) de 49.36±1.2 % y PBRC de
51.55±2.1 %. Sin embargo, al ser hidrolizado PBRC, la
digestibilidad se incrementó un 38.43 % (PBRH). De acuerdo con el
informe de la FEDNA (2012), “niveles de digestibilidad en
pepsina-HCl comprendidos entre 66 y 80 % se consideran adecuados,
mientras que, valores in- feriores a 65 % indican que la hidrólisis
ha sido insuficiente”, lo cual puede ocasionar una menor
biodisponibilidad de los nutrientes, para el organismo consumidor.
Niveles por arriba del 80 % indican un procesado excesivo y pueden
provocar la pérdida de algunos nutrientes.
Con respecto a la nutrición animal, la mayoría de las
investigaciones coinciden en que los aminoácidos de importancia, en
específico para aves y cerdos (FEDNA, 2012; Rostagno et al., 2017;
Wiltafsky et al., 2016), son la lisina, metionina, treonina,
valina, triptófano, isoleucina, arginina, glicina, serina, leucina,
cisteína, histidina y fenilalanina. La alteración en el contenido
de alguno de ellos puede repercutir en la calidad del insumo
alimenticio y, de igual manera, en su costo al restarle valor
agregado.
En este contexto, en el Cuadro 3 se presenta el perfil de
aminoácidos totales para PBRC y lo obtenido para PBRH, con
hidrólisis hidrotérmica (130 °C, 2 atm, 90 min). Se puede observar
que PBRH, a las condiciones de hidrólisis propuestas en este
trabajo, conserva una distribución similar de aminoácidos con
respecto a lo obtenido en PBRC. La recuperación lograda fue por
arriba del 90 % para la mayoría de los aminoácidos, excepto para el
triptófano, el cual se destru- ye completamente y la histidina, que
sólo se recuperó un 65.3 %. Se atisba un ligero incremento (1-10 %)
para la leucina, isoleucina, fenilalanina, alanina, tirosina y
glicina. Así mismo, el perfil de aminoácidos en PBRH es parecido a
lo reportado por Rostagno et al. (2017) para HPAH, se diferencia en
que ésta sí contiene el triptófano (0.66 %). La arginina, tirosina
y prolina fueron más altas en PBRH (37-60 %), con respecto a HPAH.
Caires et al. (2010), por su parte, reportan concentraciones de
lisina (2.13 %), arginina (5.41 %), metionina (0.58 %), treonina
(3.68 %) y triptófano (0.67 %) en harina de plumas, utilizada para
alimentación de pollos broiler, con in- clusión en un 5 %.
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Cuadro 3. Total amino acid content in bovine hair (% in natural
matter) Cuadro 3. Contenido total de aminoácidos en el pelo bovino
(% en materia natural).
Aminoácido Unidad PBRC PBRH HPAHa
Lisina % 3.01 ± 0.12 2.98 ± 0.10 2.45 Metionina % 0.93 ± 0.02 0.87
± 0.03 0.71 Treonina % 5.84 ± 0.20 5.64 ± 0.22 3.79 Triptófano % -
- 0.66 Arginina % 7.02 ± 0.23 7.73 ± 0.25 5.62 Valina % 5.13 ± 0.46
4.83 ± 0.16 5.86 Isoleucina % 4.37 ± 0.11 4.45 ± 0.17 3.61 Leucina
% 5.28 ± 0.17 5.40 ± 0.17 6.95 Histidina % 2.13 ± 0.08 1.39 ± 0.05
1.16 Fenilalanina % 4.26 ± 0.11 4.45 ± 0.14 3.96 Alanina % 2.76 ±
0.05 2.80 ± 0.06 4.33 Cisteína % 2.29 ± 0.09 2.24 ± 0.08 3.92
Tirosina % 5.98 ± 0.19 6.31 ± 0.29 2.50 Glicina % 4.49 ± 0.28 4.52
± 0.18 6.69 Serina % 7.28 ± 0.94 6.68 ± 0.24 9.37 Prolina % 11.4 ±
0.85 11.2 ± 0.42 7.12 Ácido glutámico % 5.18 ± 0.21 4.90 ± 0.21
5.74 Ácido aspártico % 3.87 ± 0.31 3.74 ± 0.15 3.76
a Reportado por Rostagno et al. (2017) para harina de plumas
hidrolizada.
Por otra parte, comparando con lo obtenido por Esteban et al.
(2010), existen diferencias significativas con respecto al PBRH. En
primera instancia, obtuvieron un hidrolizado acuoso, mediante la
hidrólisis de pelo porcino vía subcrítica (200-300 °C, 15-360 min).
El producto final presentó una notoria variabilidad en el perfil de
aminoácidos y recuperaciones menores al 60 %. Pérdidas
significativas (> 95 %) para la treonina, serina, ácido
aspártico y ácido glutámico, con respecto a su forma cruda. De
forma similar, Coward-Kelly et al. (2005) consiguieron un pro-
ducto soluble, deficiente en aminoácidos esenciales para animales
domésticos monogástricos, al hidrolizar pelo de vaca, en medio
alcalino.
Esto nos lleva a considerar la importancia en la selección del
método y las condiciones de procesado (hidrólisis) para cualquier
insumo alimenticio, ya que puede afectar positiva o nega- tivamente
el contenido de los nutrientes en el producto final.
5. Conclusiones Este trabajo provee información sobre la
composición física, química, toxicológica y nu-
tricional del pelo bovino en su forma cruda e hidrolizada
hidrotérmicamente. La información
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obtenida muestra que el acondicionamiento del pelo bovino residual
fue una parte fundamen- tal para mejorar su presentación física en
algunos parámetros organolépticos. Por otro lado, algunas ventajas
que aportó el proceso de hidrólisis hidrotérmico empleado fueron:
es poco agresivo, lo cual permitió una recuperación de nutrientes
(proteína/aminoácidos) mayor al 90 % y coadyuvó a incrementar su
digestibilidad proteica en pepsina un 38.4 %, con respecto a su
forma cruda. Así mismo, la inocuidad en el producto final (pelo
bovino hidrolizado) fue obser- vada, por la ausencia de metales
pesados, salmonella spp y microorganismos mesófilos aerobios. Con
base en esta información, el pelo bovino residual puede ser
reciclado en las condiciones propuestas, para su transformación en
un producto alimenticio alternativo, que provee nutrien- tes
esenciales (proteína/aminoácidos), para la alimentación
animal.
6. Ética y conflicto de intereses Las personas autoras declaran que
han cumplido totalmente con todos los requisitos éticos
y legales pertinentes, tanto durante el estudio como en la
producción del manuscrito. Que no hay conflictos de intereses de
ningún tipo. Que todas las fuentes financieras se mencionan com-
pleta y claramente en la sección de agradecimientos y que están
totalmente de acuerdo con la versión final editada del
artículo.
7. Agradecimientos Las personas autoras agradecen al Fondo
Sectorial de Investigación SEMARNAT-CONA-
CYT por el financiamiento otorgado para la realización de este
proyecto con número 263182. Además, a los revisores anónimos de la
revista por sus aportes, los cuales enriquecieron el pre- sente
documento.
8. Referencias Barrena, R., Pagans, E., Artola, A., Vázquez, F. y
Sánchez, A. (Junio, 2007). Co-composting of
hair waste from the tanning industry with de-inking and municipal
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3.3 Hidrólisis hidrotérmica
3.4 Caracterización física
3.5 Análisis termogravimétrico
3.7 Análisis proximal
3.9 Análisis microbiológico
4, Resultados y discusión
7, Agradecimientos
8, Referencias
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